DE102020212298A1 - Method and device for device-specific determination of an internal resistance-based aging state of a battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines innenwiderstandsbasierten Alterungszustands (SOHR) einer Batterie in einem Gerät, mit folgenden Schritten:- Bestimmen des innenwiderstandsbasierten Alterungszustands (SOHR) mithilfe eines hybriden Alterungszustandsmodells (1), wobei das hybride Alterungszustandsmodell (1) ein physikalisches Alterungsmodell (2) und ein Korrekturmodell umfasst, wobei das physikalische Alterungsmodell (2)basierend auf einem elektrochemischen Batteriemodell ausgebildet ist, um einen physikalischen Alterungszustand (SOHRph) abhängig von einer oder mehreren Betriebsgrößen (I, T, U, SOC) der Batterie bereitzustellen, wobei das Korrekturmodell (3) datenbasiert ausgebildet ist, um aus der einer oder den mehreren Betriebsgrößen (I, T, U, SOC) abgeleitete Betriebsmerkmale auf eine Korrekturgröße abzubilden, wobei der physikalische Alterungszustand (SOHRph) mit der Korrekturgröße (k) beaufschlagt wird, um den innenwiderstandsbasierten Alterungszustand zu bestimmen,- Ermitteln eines Verlaufs einer modellierten Batteriespannung (Um) mithilfe eines Anpassungsmodells (7), der abhängig von internen Zuständen des physikalischen Alterungsmodells (2) und abhängig von einem Verlauf von zumindest einem Batteriestrom (I) modelliert wird,- Bereitstellen der modellierten Batteriespannung (Um) an das physikalische Alterungsmodell (2), um abhängig von der modellierten Batteriespannung (Um) den physikalischen Alterungszustand (SOHR) zu ermitteln.The invention relates to a method for determining an internal resistance-based state of health (SOHR) of a battery in a device, with the following steps: - Determining the internal resistance-based state of health (SOHR) using a hybrid state of health model (1), the hybrid state of health model (1) being a physical aging model ( 2) and includes a correction model, the physical aging model (2) being based on an electrochemical battery model in order to provide a physical aging state (SOHRph) depending on one or more operating variables (I, T, U, SOC) of the battery, the Correction model (3) is designed based on data in order to map operating characteristics derived from one or more operating variables (I, T, U, SOC) to a correction variable, with the physical aging condition (SOHRph) being subjected to the correction variable (k) in order to internal resistance-based aging state agree, - determining a profile of a modeled battery voltage (Um) using an adaptation model (7), which is modeled depending on internal states of the physical aging model (2) and depending on a profile of at least one battery current (I), - providing the modeled battery voltage (Um) to the physical aging model (2) in order to determine the physical aging state (SOHR) depending on the modeled battery voltage (Um).
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft Batterien, insbesondere für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, und weiterhin Maßnahmen zur Bestimmung einer auf einer Innenwiderstandsänderungsrate basierenden Bestimmung eines Alterungszustands gemäß einer Kunden-, Hersteller- oder Gerätespezifikation.The invention relates to batteries, in particular for electrically driven motor vehicles, and also to measures for determining an aging state based on a rate of change in internal resistance in accordance with a customer, manufacturer or device specification.
Technischer HintergrundTechnical background
Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge werden in der Regel über Fahrzeugbatterien mit elektrischer Energie versorgt. Der Alterungszustand der Fahrzeugbatterie nimmt im Laufe seiner Lebensdauer zusehends ab, was sich in einer abnehmenden maximalen Speicherkapazität auswirkt. Das Maß der Alterung der Fahrzeugbatterie hängt von einer individuellen Belastung der Fahrzeugbatterie ab.Electrically drivable motor vehicles are usually supplied with electrical energy via vehicle batteries. The aging status of the vehicle battery decreases over the course of its service life, which results in a decreasing maximum storage capacity. The degree of aging of the vehicle battery depends on the individual load on the vehicle battery.
Der Alterungszustand ist bei Batterien die Schlüsselgröße zur Angabe einer verbleibenden Batteriekapazität oder verbleibenden Batterieladung. Der Alterungszustand stellt ein Maß für die Alterung der Batterie seit deren Inbetriebnahme (Begin of Life) dar. Der Alterungszustand kann als Kapazitätserhaltungsrate (Capacity Retention Rate, SOHC) oder als Anstieg des Innenwiderstands (SOHR) gemäß einer Änderungsrate angegeben werden. Die Kapazitätserhaltungsrate SOHC wird als Verhältnis der gemessenen momentanen Kapazität zu einer Anfangskapazität der vollständig aufgeladenen Batterie angegeben.In the case of batteries, the state of health is the key variable for specifying a remaining battery capacity or remaining battery charge. The state of health represents a measure of the aging of the battery since it was put into service (beginning of life). The state of health can be specified as a capacity retention rate (SOHC) or as an increase in internal resistance (SOHR) according to a rate of change. The capacity retention rate SOHC is given as the ratio of the measured instantaneous capacity to an initial capacity of the fully charged battery.
Die relative Änderung des Innenwiderstands SOHR steigt mit zunehmender Alterung der Batterie an. Bei der Ermittlung des innenwiderstandsabhängigen Alterungszustands werden abhängig von batteriespezifischen Innenwiderstandswerten unterschiedliche Ansätze vorgesehen, den innenwiderstandsbasierten Alterungszustand zu ermitteln. Somit ist die Angabe des innenwiderstandsbasierten Alterungszustands erheblich von der Ermittlungsvorschrift abhängig, die gerätespezifisch oder herstellerspezifisch vorgegeben werden kann.The relative change in the internal resistance SOHR increases as the battery ages. When determining the internal resistance-dependent aging state, different approaches are provided, depending on battery-specific internal resistance values, for determining the internal resistance-based aging state. Thus, the specification of the internal resistance-based aging state is significantly dependent on the determination rule, which can be specified device-specifically or manufacturer-specifically.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bestimmen eines innenwiderstandsbasierten Alterungszustands einer Batterie gemäß Anspruch 1 und eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.According to the invention, a method for determining an internal resistance-based aging state of a battery according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further developments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Bestimmung eines innenwiderstandsbasierten Alterungszustands einer Batterie vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Bestimmen eines innenwiderstandsbasierten Alterungszustands mithilfe eines hybriden Alterungszustandsmodells mit einem elektrochemischen Alterungsmodell und einem Korrekturmodell, wobei das elektrochemische Alterungsmodell ausgebildet ist, um einen physikalischen Alterungszustand abhängig von einer oder mehreren Betriebsgrößen der Batterie bereitzustellen, wobei das Korrekturmodell datenbasiert ausgebildet ist, um aus der einen oder den mehreren Betriebsgrößen abgeleitete Betriebsmerkmale auf eine Korrekturgröße abzubilden, wobei der physikalische Alterungszustand mit der Korrekturgröße beaufschlagt wird, um den innenwiderstandsbasierten Alterungszustand zu bestimmen,
- - Ermitteln eines Verlaufs einer modellierten Batteriespannung mithilfe eines Anpassungsmodells, der abhängig von internen Zuständen des physikalischen Alterungsmodells und abhängig von einem Verlauf von zumindest einem Batteriestrom modelliert wird,
- - Bereitstellen der modellierten Batteriespannung an das physikalische Alterungsmodell, um den physikalischen Alterungszustand zu ermitteln.
- - Determining an internal resistance-based aging state using a hybrid aging state model with an electrochemical aging model and a correction model, the electrochemical aging model being designed to provide a physical aging state depending on one or more operating parameters of the battery, the correction model being data-based in order to consist of one or mapping the operating characteristics derived from the several operating variables to a correction variable, the correction variable being applied to the physical aging condition in order to determine the internal resistance-based aging condition,
- - Determining a profile of a modeled battery voltage using an adaptation model that is modeled depending on internal states of the physical aging model and depending on a profile of at least one battery current,
- - Providing the modeled battery voltage to the physical aging model in order to determine the physical aging condition.
Die Bestimmung des Alterungszustands kann basierend auf den Innenwiderständen einer elektronischen Ersatzschaltung einer Batterie erfolgen. Jedoch werden die Innenwiderstände der Batterie kundenspezifisch unterschiedlich definiert, so dass eine Schwierigkeit darin besteht, den innenwiderstandsbasierten Alterungszustand auf diesen unterschiedlichen Definitionen mithilfe der gleichen Algorithmusplattform zu berücksichtigen.The aging state can be determined based on the internal resistances of an electronic equivalent circuit of a battery. However, the internal resistances of the battery are defined differently on a customer-specific basis, so that one difficulty is to consider the internal resistance-based aging state on these different definitions using the same algorithm platform.
Der Alterungszustand einer Batterie kann mithilfe eines hybriden Alterungszustandsmodells bestimmt werden. Dieses sieht vor, ein physikalisches Alterungsmodell zu nutzen, das basierend auf Betriebsgrößen und einem elektrochemischen Batteriemodell einen Alterungszustand ermittelt. Das elektrochemische Batteriemodell beschreibt das Batterieverhalten anhand einer Reihe von Differentialgleichungen, die elektrochemische Gleichgewichtszustände beschreiben, und charakterisiert den Batteriezustand durch eine Vielzahl von internen Zuständen.The state of health of a battery can be determined using a hybrid state of health model. This envisages using a physical aging model that determines an aging condition based on operating parameters and an electrochemical battery model. The electrochemical battery model describes the battery behavior using a set of differential equations that describe electrochemical equilibrium states and characterizes the battery condition in terms of a variety of internal states.
Weiterhin ist ein datenbasiertes Korrekturmodell vorgesehen, das abhängig von Betriebsmerkmalen eine Korrekturgröße bereitstellt. Die Betriebsmerkmale werden aus den Verläufen der einen oder den mehreren Betriebsgrößen der Batterie, wie dem Verlauf des Batteriestroms, sowie insbesondere dem Verlauf der Batteriespannung, dem Verlauf der Batterietemperatur und/oder dem Verlauf des Ladezustands, abgeleitet. Weiterhin können die Betriebsmerkmale basierend auf internen Zuständen des physikalischen Alterungsmodells abgeleitet werden. Die Korrekturgröße wird verwendet, um den physikalischen Alterungszustand zu beaufschlagen, um den aktuellen Alterungszustand zu erhalten.Furthermore, a data-based correction model is provided, which provides a correction variable depending on operating characteristics. The operating characteristics are from the courses of one or more operating variables of the battery, such as the Course of the battery current, and in particular the course of the battery voltage, the course of the battery temperature and / or the course of the state of charge derived. Furthermore, the operating characteristics can be derived based on internal states of the physical aging model. The correction variable is used to apply the physical state of health in order to obtain the current state of health.
Eine Batterie wird neben anderen Größen häufig durch ihre Innenwiderstände charakterisiert, die sich aus einer Ersatzschaltung, die für eine Batterie angenommen wird, ergeben. Die Bestimmung dieser Innenwiderstände wird je nach Gerätehersteller in unterschiedlicher Weise definiert, so dass die darauf basierende Angabe des Alterungszustands erheblich von der Definition der Ermittlung der Innenwiderstände abhängt.In addition to other variables, a battery is often characterized by its internal resistance, which results from an equivalent circuit assumed for a battery. The determination of these internal resistances is defined in different ways depending on the device manufacturer, so that the specification of the aging condition based on this depends significantly on the definition of the determination of the internal resistances.
Das Anpassungsmodell kann ausgebildet sein, um basierend auf einer elektronischen Ersatzschaltung den Verlauf der modellierten Batteriespannung abhängig von dem Verlauf des Batteriestroms basierend auf Differentialgleichungen zu ermitteln.The adjustment model can be designed to determine the profile of the modeled battery voltage as a function of the profile of the battery current based on differential equations based on an electronic equivalent circuit.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, neben den Betriebsgrößen dem physikalischen Alterungsmodell eine aus einem Anpassungsmodell erhaltene modellierte Batteriespannung (modellierte Klemmenspannung) zuzuführen, die sich durch eine Simulation der Betriebsgrößen mit den Innenwiderstandswerten der Batterieersatzschaltung ergibt, die entsprechend der gerätespezifischen Definition ermittelt worden sind.One idea of the above method is that, in addition to the operating variables, the physical aging model is supplied with a modeled battery voltage (modeled terminal voltage) obtained from an adaptation model, which results from a simulation of the operating variables with the internal resistance values of the battery equivalent circuit, which have been determined according to the device-specific definition.
Es kann vorgesehen sein, dass das Anpassungsmodell den Verlauf der modellierten Batteriespannung abhängig von mindestens einem Innenwiderstand vornimmt, wobei der mindestens eine Innenwiderstand von einem oder mehreren internen Zuständen des physikalischen Alterungsmodells ermittelt wird.Provision can be made for the adaptation model to carry out the course of the modeled battery voltage as a function of at least one internal resistance, with the at least one internal resistance being determined from one or more internal states of the physical aging model.
Das Anpassungsmodell nutzt ein einfaches elektrisches Batteriemodell basierend auf den Innenwiderständen und der Art ihrer Verschaltung in der Batterieersatzschaltung und simuliert eine entsprechende Batteriespannung abhängig von der Art, wie die Innenwiderstände bestimmt worden sind. Beispielsweise werden Innenwiderstände zur Berechnung des Alterungszustands als dU/dl für einen bestimmten Konstantstrom, für eine vorgegebene Zeitdauer von z.B. 10s und bei einer bestimmten Batterietemperatur von z.B. T=25°C vorgegeben. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Spannungsdifferenz bei einem bestimmten Konstantstromfluss für eine vorgegebene Zeitdauer ermittelt wird, um den entsprechenden Innenwiderstand zu bestimmen. Die Art der Ermittlung des Innenwiderstands stellt daher entsprechend dem Ersatzschaltungsmodell einen Einfluss auf die Batteriespannung dar, die in dem Alterungszustandsmodell ausgewertet wird, um den Alterungszustand zu bestimmen.The adaptation model uses a simple electrical battery model based on the internal resistances and the way they are connected in the battery equivalent circuit and simulates a corresponding battery voltage depending on the way the internal resistances have been determined. For example, internal resistances are specified to calculate the aging condition as dU/dl for a specific constant current, for a specified period of e.g. 10s and at a specific battery temperature of e.g. T=25°C. This means that a specific voltage difference is determined for a specific constant current flow for a specified period of time in order to determine the corresponding internal resistance. According to the equivalent circuit model, the way in which the internal resistance is determined therefore represents an influence on the battery voltage, which is evaluated in the state of health model in order to determine the state of health.
Somit dient das Anpassungsmodell dazu, verschiedene Arten der Bestimmung des Innenwiderstands der Batterie auszugleichen, so dass stets die gleiche Architektur des hybriden Alterungszustandsmodell verwendet werden kann.Thus, the adaptation model serves to balance different ways of determining the internal resistance of the battery, so that the same architecture of the hybrid state of health model can always be used.
Um es zudem zu ermöglichen, dass das Alterungszustandsmodell basierend auf Referenzdaten, die zu einer bestimmten Zeit einen gemessenen Alterungszustand der Batterie angeben, der Gerätespezifikation zur Ermittlung des Innenwiderstands berücksichtigt, kann das elektrochemische Alterungsmodell basierend auf den Referenzdaten angepasst werden, indem die internen Zustände des physikalischen Alterungsmodells abhängig von einem Unterschied zwischen dem modellierten Alterungszustand und dem gemessenen Alterungszustand entsprechend der Referenzdaten angepasst werden.In order to also enable the aging model based on reference data, which indicate a measured aging condition of the battery at a certain time, to take into account the device specification for determining the internal resistance, the electrochemical aging model can be adapted based on the reference data by the internal states of the physical Aging model are adjusted depending on a difference between the modeled aging condition and the measured aging condition according to the reference data.
So kann bei Messung eines Alterungszustands mindestens einer der internen Zustände des physikalischen Alterungsmodells abhängig von einem Unterschied zwischen dem modellierten innenwiderstandsbasierten Alterungszustand und dem gemessenen Alterungszustand angepasst werden.Thus, when measuring an aging state, at least one of the internal states of the physical aging model can be adjusted depending on a difference between the modeled internal resistance-based aging state and the measured aging state.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass bei Vorliegen von ausreichenden Trainingsdaten ein erneutes Training des datenbasierten Korrekturmodells durchgeführt wird.Provision can also be made for the data-based correction model to be retrained if sufficient training data is available.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Funktion zum Ermitteln eines kundenspezifischen innenwiderstandsbasierten Alterungszustands; -
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Alterungszustandsmodells zum Ermitteln eines kundenspezifischen Alterungszustands; und -
3 eine Ersatzschaltung der Batterie zur Veranschaulichung der Verschaltung der Innenwiderstände.
-
1 a block diagram for illustrating a function for determining a customer-specific internal resistance-based aging state; -
2 a flowchart to illustrate a method for operating a state of health model for determining a customer-specific state of health; and -
3 an equivalent circuit of the battery to illustrate the wiring of the internal resistances.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Das Alterungszustandsmodell 1 in einer hybriden Weise aufgebaut und weist im Kern ein physikalisches Alterungsmodell 2 auf, das einen physikalischen Alterungszustand bereitstellt. Dazu werden Verläufe von Betriebsgrößen der Batterie, nämlich die Verläufe des Batteriestroms I der Batteriespannung U, der Batterietemperatur T und des Ladezustands SOC als Eingangsgrößen verwendet. Das physikalisches Alterungsmodell 2 ist als elektrochemisches Batteriemodell ausgeführt ist und beschreibt mittels Differentialgleichungen entsprechende elektrochemische Zustände Z1, Z2, Z3..., wie Schichtdicken (z.B. SEI-Dicke), Änderung des zyklisierbaren Lithiums aufgrund von Anode/Kathode-Nebenreaktionen, schneller Verbrauch von Elektrolyten, langsamer Verbrauch von Elektrolyten, Verlust des Aktivmaterials in Anode, Verlust des Aktivmaterials in Kathode und dergleichen. Das physikalisches Alterungsmodell 2 gibt entsprechend den Verläufen der Betriebsgrößen der Batterie und abhängig von den internen elektrochemische Zuständen Z1, Z2, Z3... einen physikalischen Alterungszustand SOHRph an.The
Die durch das elektrochemische Modell bereitgestellten Modellwerte für den physikalischen Alterungszustand SOHR sind jedoch in bestimmten Situationen ungenau, und es ist daher vorgesehen, diese mit einer Korrekturgröße k zu korrigieren. Dazu ist ein datenbasiertes Korrekturmodell 3 vorgesehen, das als Machine-Learning-Modell ausgebildet ist, wie z.B. als ein Gaußprozessmodell. Das Korrekturmodell 3 ist trainiert, Betriebsmerkmale M und den physikalischen Alterungszustand SOHRph auf die Korrekturgröße k abzubilden.However, the model values for the physical aging state SOHR provided by the electrochemical model are imprecise in certain situations, and it is therefore intended to correct them with a correction variable k. For this purpose, a data-based
In einem Korrekturblock 4 wird der physikalische Alterungszustand SOHRph mit der Korrekturgröße k korrigiert, um den innenwiderstandsbasierten Alterungszustand SOHR auszugeben. Die Beaufschlagung mit der Korrekturgröße k kann additiv, multiplikativ oder in anderer Weise erfolgen.In a
In einem Betriebsmerkmalsblock werden Betriebsmerkmale M aus den Betriebsgrößen I, U, T, SOC sowie aus den internen elektrochemische Zuständen Z1, Z2, Z3... des Alterungsmodells 2 abgeleitet.Operating characteristics M are derived from the operating variables I, U, T, SOC and from the internal electrochemical states Z1, Z2, Z3 . . . of the aging
Die Betriebsmerkmale M beziehen sich auf einen Auswertungszeitraum. Der Auswertungszeitraum kann für die Bestimmung des Alterungszustands wenige Stunden (z. B. 6 Stunden) bis mehrere Wochen (z. B. einen Monat) betragen. Ein üblicher Wert für den Auswertungszeitraum beträgt eine Woche.The operating characteristics M relate to an evaluation period. The evaluation period for determining the aging state can be a few hours (e.g. 6 hours) to several weeks (e.g. one month). A usual value for the evaluation period is one week.
Die Betriebsmerkmale können beispielsweise auf den Auswertungszeitraum bezogene Merkmale und/oder akkumulierte Merkmale und/oder über die gesamte bisherige Lebensdauer ermittelte statistische Größen umfassen. Insbesondere können die Betriebsmerkmale beispielsweise umfassen: Elektrochemische Zustände (Schichtdicken, Konzentrationen, zyklisierbares Lithium, ...), Histogrammdaten über dem Ladezustandsverlauf, der Temperatur, der Batteriespannung, des Batteriestroms, insbesondere Histogrammdaten bezüglich der Batterietemperaturverteilung über dem Ladezustand, der Ladestromverteilung über der Temperatur und/oder der Entladestromverteilung über der Temperatur, akkumulierte Gesamtladung (Ah), eine durchschnittliche Kapazitätszunahme bei einem Ladevorgang (insbesondere für Ladevorgänge, bei denen die Ladungszunahme über einem Schwellenanteil (z. B. 20 %) der gesamten Batteriekapazität liegt), ein Maximum der differentiellen Kapazität (dQ/dU: Ladungsänderung dividiert durch Änderung der Batteriespannung) und weitere.The operating characteristics can include, for example, characteristics relating to the evaluation period and/or accumulated characteristics and/or statistical values ascertained over the entire service life to date. In particular, the operating characteristics can include, for example: electrochemical states (layer thicknesses, concentrations, cyclable lithium, ...), histogram data over the course of the state of charge, the temperature, the battery voltage, the battery current, in particular histogram data regarding the battery temperature distribution over the state of charge, the distribution of the charging current over the temperature and/or the discharge current distribution over temperature, accumulated total charge (Ah), an average increase in capacity during a charge (especially for charges where the increase in charge is above a threshold proportion (e.g. 20%) of the total battery capacity), a maximum of differential capacity (dQ/dU: change in charge divided by change in battery voltage) and others.
Aus den Betriebsmerkmalen lassen sich weitere Angaben entnehmen: ein zeitliches Belastungsmuster wie Lade- und Fahrzyklen, bestimmt durch Nutzungsmuster (wie bspw. Schnellladen bei hohen Stromstärken oder starke Beschleunigung bzw. Bremsvorgänge mit Rekuperation), eine Nutzungszeit der Fahrzeugbatterie, eine über die Laufzeit kumulierte Ladung und eine über die Laufzeit kumulierte Entladung, einen maximalen Ladestrom, einen maximalen Entladestrom, eine Ladehäufigkeit, einen durchschnittlichen Ladestrom, einen durchschnittlichen Entladestrom, einen Leistungsdurchsatz beim Laden und Entladen, eine (insbesondere durchschnittliche) Ladetemperatur, eine (insbesondere durchschnittliche) Spreizung des Ladezustands und dergleichen.Further information can be derived from the operating characteristics: a load pattern over time such as charging and driving cycles, determined by usage patterns (such as fast charging at high currents or strong acceleration or braking processes with recuperation), a usage time of the vehicle battery, a charge accumulated over the running time and a discharge accumulated over the term, a maximum charging current, a maximum discharging current, a charging frequency, an average charging current, an average discharging current, a power throughput during charging and discharging, a (especially average) charging temperature, a (especially average) spread of the state of charge and the like.
Es ist weiterhin ein Innenwiderstands-Ermittlungsblock 6 vorgesehen, der die internen Zustände Z1, Z2, Z3 aus dem physikalischen Alterungsmodell erfasst und diese gemäß einer geeigneten Rechenvorschrift R1 = f(Z1, Z2, Z3 ...) und R2 = g(Z1, Z2, Z3 ...) in die Innenwiderstände R1 und R2, die die Batterie in ihrer elektronischen Ersatzschaltung charakterisieren, umrechnet. Die Umrechnungsfunktionen g(), f() können als parametrisierte Polynomialfunktion, als datenbasiertes Funktionsmodell oder dergleichen vorgesehen sein. Die Umrechnung basiert auf der Annahme, dass der Zusammenhang zwischen den Widerstanden R1, R2 und den Zuständen Z1, Z2, Z3 linear ist. Die Parameter, die den linearen Zusammenhang beschreiben, können mit den Trainingsdaten angefittet werden.An internal resistance determination block 6 is also provided, which detects the internal states Z1, Z2, Z3 from the physical aging model and calculates them according to a suitable calculation rule R1=f(Z1, Z2, Z3...) and R2=g(Z1, Z2, Z3 ...) into the internal resistances R1 and R2, which characterize the battery in its electronic equivalent circuit. The conversion functions g(), f() can be provided as a parameterized polynomial function, as a data-based function model or the like. The conversion is based on the assumption that the relationship between the resistances R1, R2 and the states Z1, Z2, Z3 is linear. The parameters that describe the linear relationship can be fitted to the training data.
Das physikalische Alterungsmodell 2 ist ausgebildet, um Verläufe von Betriebsgrößen der Batterie zu erhalten, insbesondere den Batteriestrom, die Batteriespannung, die Batterietemperatur sowie den aktuellen Ladezustand. Um die Struktur des Alterungszustandsmodells auch für andersartige Berechnungen des Alterungszustands SOHR zu verwenden, ist nun mithilfe eines Anpassungsmodells 7 vorgesehen, eine Batteriespannung Um zu modellieren, die der veränderten Berechnung des innenwiderstandsbasierten Alterungszustands Rechnung trägt.The physical aging
Dazu werden die in dem Innenwiderstandsblock 6 ermittelten Innenwiderstände R1, R2 dem Anpassungsmodell 7 zugeführt, das ein elektrisches Batteriemodell basierend auf einer elektronischen Ersatzschaltung der Batterie beinhaltet. Das Batteriemodell verwendet die Struktur der elektronischen Ersatzschaltung der Batterie, um abhängig von den Verläufen der Betriebsgrößen I, U, T, SOC und von dem aktuellen Alterungszustand SOHR den Verlauf der Batteriespannung Um zu modellieren, die die gemessene Batteriespannung U (Klemmenspannung) aus den Betriebsgrößen ersetzt. Eine solche Batterieersatzschaltung ist in
Dies ermöglicht es, das hybride Alterungszustandsmodell 1 für verschiedene Anforderungen an die Alterungszustandsbestimmung bezüglich des innenwiderstandsbasierten Alterungszustands SOHR zu verwenden.This makes it possible to use the hybrid aging
Werden aus dem Batteriebetrieb Referenzdaten für den Alterungszustand erhalten, so werden diese dazu genutzt, die internen Zustände Z1, Z2, Z3 ... des physikalischen Alterungsmodells anzupassen. Die Referenzdaten entsprechen gemessenen Alterungszuständen, die möglichst unmittelbar nach deren Messung zur Anpassung des physikalischen Alterungsmodells 2 verwendet werden.If reference data for the aging status are obtained from battery operation, these are used to adjust the internal statuses Z1, Z2, Z3 . . . of the physical aging model. The reference data correspond to measured aging states that are used to adapt the physical aging
Die Anpassung des physikalischen Alterungsmodells 2 erfolgt schrittweise entsprechend
Das Verfahren zum Betreiben des Alterungszustandsmodells 1 wird im Folgenden anhand des Flussdiagramms der
Im Schritt S1 werden die Betriebsgrößen I, T, SOC der Batterie erfasst, nämlich der Batteriestrom, die Batterietemperatur sowie der aktuelle Ladezustand.In step S1, the operating variables I, T, SOC of the battery are recorded, namely the battery current, the battery temperature and the current state of charge.
Die Betriebsgrößen werden in dem Anpassungsmodell 7 in Schritt S2 verwendet, um die modellierte Batteriespannung Um zu ermitteln. Dies erfolgt basierend auf vorgegebenen Innenwiderständen R1, R2 und mithilfe von Differentialgleichungen eines an sich bekannten elektrischen Batteriemodells, das den Batteriestrom I, den Ladezustand SOC und die Batterietemperatur T auf eine Batteriespannung Um abbilden kann.The operating variables are used in the adaptation model 7 in step S2 in order to determine the modeled battery voltage Um. This is based on specified internal resistances R1, R2 and using differential equations of a known electrical battery model that can map the battery current I, the state of charge SOC and the battery temperature T to a battery voltage Um.
Die Betriebsgrößen I, T, SOC, die modellierte Batteriespannung Um und der aktuelle Alterungszustand SOHR werden dem physikalischen Alterungsmodell 2 in Schritt S3 zugeführt. Das physikalische Alterungsmodell 2 ermittelt mithilfe von elektrochemischen Differentialgleichungen die Gleichgewichtszustände der Batterie zur Modellierung eines physikalischen Alterungszustands SOHRph.The operating variables I, T, SOC, the modeled battery voltage Um and the current aging state SOHR are supplied to the physical aging
Weiterhin wird in Schritt S4 aus den Betriebsgrößen I, U, T, SOC in dem Betriebsmerkmalsblock 5 Betriebsmerkmale generiert, die dem Korrekturmodell 3 zugeführt werden. Weiterhin werden dem Betriebsmerkmalsblock 5 die internen Zustände Z1, Z2, Z3 des physikalischen Alterungsmodells 2 zugeführt, die ebenfalls zur Ermittlung von Betriebsmerkmalen verwendet werden.Furthermore, in step S4 , operating characteristics are generated from the operating variables I, U, T, SOC in the operating characteristics block 5 and are supplied to the
Aus den Betriebsmerkmalen sowie dem physikalischen Alterungszustand SOHRph wird in Schritt S5 in dem Korrekturmodell 3 eine Korrekturgröße k ermittelt, die in dem Korrekturblock 4 den physikalischen Alterungszustand SOHRph beaufschlagt, um den aktuellen Alterungszustand SOHR zu erhalten.From the operating characteristics and the physical aging state SOHRph, a correction variable k is determined in the
Der aktuelle Alterungszustand SOHR wird in Schritt S6 dem Anpassungsmodell bereitgestellt, um kontinuierlich die Batteriespannung entsprechend dem aktuellen Alterungszustand zu ermitteln.The current state of health SOHR is provided to the adaptation model in step S6 in order to continuously determine the battery voltage according to the current state of health.
In Schritt S7 wird aus den internen Zuständen Z1, Z2, Z3,... die Innenwiderstände R1 und R2 abgeleitet, die in dem Anpassungsmodell 7 zur Modellierung der Batteriespannung Um verwendet werden.In step S7, the internal resistances R1 and R2, which are used in the adaptation model 7 for modeling the battery voltage Um, are derived from the internal states Z1, Z2, Z3, . . .
In Schritt S8 wird überprüft, ob Referenzdaten vorliegen. Die Referenzdaten umfassen einen in der Batterie gemessenen Alterungszustand SOHmess. Weicht der gemessene Alterungszustand SOHmess um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert von dem aktuellen Alterungszustand SOHR ab (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S9 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird zum Schritt S1 zurückgesprungen.In step S8 it is checked whether reference data are present. The reference data include a state of health SOH mess measured in the battery. If the measured state of health SOH mess deviates from the current state of health SOHR by more than a predetermined threshold value (alternative: yes), the method continues with step S9, otherwise (alternative: no) the process jumps back to step S1.
In Schritt S9 werden die internen Zustände Z1, Z2, Z3 des physikalischen Alterungsmodells angepasst, insbesondere gemäß obiger Vorschrift, und anschließend das Verfahren mit Schritt S10 fortgesetzt.In step S9, the internal states Z1, Z2, Z3 of the physical aging model are adjusted, in particular in accordance with the above specification, and the method is then continued with step S10.
In Schritt S10 wird, z.B. anhand eines Schwellenwertvergleichs mit der Anzahl von Trainingsdatensätzen, überprüft, ob ausreichend Trainingsdaten für ein Neutrainieren des Korrekturmodells zur Verfügung stehen. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S10 fortgesetzt, anderenfalls wird zum Schritt S1 zurückgesprungen.In step S10, a check is made, e.g. using a threshold value comparison with the number of training data sets, to determine whether sufficient training data is available for retraining the correction model. If this is the case (alternative: yes), the method continues with step S10, otherwise the process jumps back to step S1.
In Schritt S11 wird das Korrekturmodell 3 mit den neuen Trainingsdaten aktualisiert oder weiter trainiert, wobei die Trainingsdaten eine Reihe von Trainingsdatensätzen zu verschiedenen Auswertungszeiträumen umfassen. Die Trainingsdatensätze entsprechen Zuordnungen von gemessenen Alterungszuständen zu Betriebsmerkmalspunkten als Kombination von Betriebsmerkmalen und internen Zuständen des physikalischen Alterungsmodells 2. Anschließend wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.In step S11, the
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